一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法
2023-05-17 10:52:36 2
專利名稱：一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法
技術領域：
本發明涉及計算機圖形學中植物對象的三維建模和虛擬農業技術領域，特別是涉
及一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法。
背景技術：
進入二十一世紀以來，植物對象的三維形態虛擬仿真建模在計算機圖形學、虛擬實境、教育、遊戲娛樂等許多領域得到廣泛的應用，植物對象的三維形態仿真與建模成為一個廣泛研究的熱點問題。 隨著農業信息化技術的快速發展，新興的虛擬實境技術在農業領域也越來越多地得到應用，虛擬農業中首要面臨的問題是農林植物包括農業大田作物和園藝植物對象的虛擬建模問題，實現準確有效的植物對象的虛擬建模方法不僅可以拓展計算機圖形學領域植物建模的研究內容，還能為農業科研領域提供直觀的交互性操作與觀察平臺，對於推動現代農業信息化發展有著巨大的作用。 近年來，面向植物對象虛擬建模的研究引起了研究者較大的興趣，關於玉米葉片、根系幾何造型的研究已取得了較大成果。然而，由於植物本身所具有的複雜形態結構，特別針對難以參數化表示的複雜結構，例如玉米葉片的褶皺建模等，仍然沒有有效的解決方法，這在很大程度上限制了植物對象參數化、可視化的發展。因此，針對難以參數化表示的複雜植物對象結構特徵，設計實現有效的建模方法，並開發實用工具具有重要的實際意義和廣闊的應用前景。 在本發明中，我們意在將現代計算機圖形技術和農業信息化相結合，給出一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法和原型系統，以解決植物對象中複雜結構建模問題，以及植物對象的統一參數化表示問題。
發明內容
( — )發明目的 本發明的目的是提供一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，以解決玉米葉片上不易於參數化表示的結構建模問題，建立具有較強真實感的玉米葉片模型。
發明內容
—種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，包括以下步驟
Sl :通過掃描真實玉米葉片建立玉米葉片參數化模板庫，所述參數包括葉長、葉寬、葉脈曲線； S2:根據目標建模玉米葉片的特徵參數從S1所述的模板庫中搜索與所述特徵參
數匹配的參數模板，所述特徵參數包括目標葉長、目標葉寬、目標葉脈曲線； S3:以所述特徵參數為約束，根據相匹配的參數模板對所述目標建模玉米葉片建模。
其中，所述步驟Sl包括
S101 :掃描玉米葉片，建立玉米葉片點雲模型； S102:然後根據點雲模型，使用參數曲面插值方法建立葉片的參數曲面模型，計算所述曲面的控制點組； S103:將所述參數曲面模型作為參數化模板存入資料庫形成玉米葉片參數化模板庫。 其中，所述S102中參數化曲面插值為NURBS曲面插值，按如下公式進行
formula see original document page 5 其中，P為計算的插值點，Vi,j為控制頂點，Wi,j為權因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分別為沿u向的k次和沿w向的h次B樣條基函數。
其中，所述步驟S2包括 S201 :提取目標建模玉米葉片形態特徵參數，對特徵參數中的目標葉脈曲線建模； S202 :根據所述建模後的目標葉脈曲線在所述玉米葉片參數模板庫中搜索模板葉脈曲線與所述目標葉脈曲線相匹配的模板。 其中，所述步驟S201中建模葉脈曲線採用Bezier曲線建模，公式如下
formula see original document page 5
其中，P為計算的插值點，Bi,n為Bernstein基函數，t為插值參變量，、為控制點組。 其中，所述步驟S202包括 S2021 :分別將所述目標葉脈曲線和模板葉脈曲線規範化和離散化，所述規範化是將模板葉脈曲線進行仿射變換使其與目標葉脈曲線具有相同的位置，離散化以模板葉脈曲線和目標葉脈曲線為計算依據，並確定步長，離散化後形成模板點序列和目標點序列；
S2022 :對於模板點序列中任意一點M，計算目標點序列中距離M最近的點N，計算M到N的距離並作為M到目標曲線的最小距離Dm ; S2023:依次循環所有模板點序列中的點，計算目標點對應的最小距離並取平均值D，將D作為模板曲線與目標曲線的偏移量，計算模板庫中所有模板的模板葉脈曲線與目標
葉脈曲線的偏移量，並取偏移量最小的模板為匹配模板。
其中，所述步驟S3包括 S301 :將玉米葉片參數模板進行縮放變換，使其與目標建模玉米葉片具備相等葉寬； S302:根據變換後的模板參數曲面的控制點組將模板葉脈曲線和
目標葉脈曲線離散化為一一對應的離散點序列，離散化後形成模板參
照點序列和目標參照點序列； S303 :分別計算模板參照點序列中各點與目標參照點序列中對應點的仿射變換關係，並將模板的控制點組進行相應的仿射變換；
S304:按仿射變換後的控制點組重新計算目標建模玉米葉片的參數曲面，生成目
標玉米葉片的模型。
(三)有益效果 本發明的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法有效解決玉米葉片上不易於參數化表示的結構建模問題，建立的模型具有較強真實感，可滿足玉米葉片數位化設計的需要。
圖1是根據本發明的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法流程圖； 圖2是根據本發明的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法的玉米葉片掃
描點雲模型； 圖3是將圖2的電點雲模型重構為玉米葉片模板的參數曲面模型； 圖4是根據本發明的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法的模板搜索匹
配示意圖。 圖5是根據本發明的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法的基於參數模板的建模示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，結合附圖和實施例說明如下。 如圖1所示，步驟Sl通過掃描真實玉米葉片建立玉米葉片參數化模板庫，其中參數為葉長、葉寬、葉脈曲線。具體地，選取有代表性特徵的玉米葉片作為模板數據源，使用FASTSCAN三維雷射掃描儀掃描玉米葉片，得到葉片模板的散亂點雲模型，點雲模型如圖2
所示；根據點雲模型使用參數曲面插值方法建立葉片的參數曲面模型，計算所述曲面的控制點組，優選NURBS曲面插值，選取具有NURBS曲面控制點拓撲結構的點作為參數曲面插值點，選取5X 12排插值點，計算NURBS控制點，並將葉脈曲線以步長0. 02規格離散化，離散後模板點序列包含50元素，計算公式如下，其中P為計算的插值點，Vi,j為控制頂點，Wi,j為權因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分別為沿u向的k次和沿w向的h次B樣條基函數，參數曲面模型如圖3所示；
l;iXk(u).Bj,h(w)nformula see original document page 6 將插值好的參數曲面模型作為參數化模板存入資料庫形成玉米葉片參數化模板庫。 步驟S2根據目標建模玉米葉片(待建模的玉米葉片)的特徵參數從步驟Sl的參數模板庫中搜索與所述特徵參數匹配的參數模板，所述特徵參數包括目標葉長、目標葉寬和目標葉脈曲線。具體地，提取作為建模目標的玉米葉片形態特徵參數，對特徵參數中的目標葉脈曲線建模，優選Bezier曲線建模，並以步長規格0. 02離散化，得到目標點序列含50元素，Bezier算法如下式所示，其中P為計算的插值點，B為Bernstein基函數，t為插值參變量，V為控制點組。公式如下P(f) = !>,, (OA ^
以目標葉片的葉脈曲線，即目標葉脈曲線作為模板搜索匹配的依據，在玉米葉片參數模板庫中搜索模板葉脈曲線與該目標葉脈曲線相匹配的模板，使用一種基於離散化最近點的曲線匹配方法，如附圖4所示，首先，分別將目標葉脈曲線和模板葉脈曲線規範化和離散化，規範化是將模板曲線進行仿射變換使其與目標曲線具有相同的位置，離散化方法為以模板葉脈曲線和目標葉脈曲線為計算依據，並確定一定的步長，離散化後的目標曲線和模板曲線分別為處在目標曲線和模板曲線上的三維空間點序列，分別稱為目標點序列和模板點序列；然後，對於模板點序列中任意一點M，計算目標點序列中距離M最近的點N，計算M到N的距離並作為M到目標曲線的最小距離Dm ;最後，依次循環模板點序列中的所有元素，計算對應的最小距離並取平均值D，將D作為模板曲線與目標曲線的偏移量。計算模板
庫中所有模板與目標曲線的偏移量，並取偏移量最小的為最相似模板，從而完成模板匹配。
步驟S3以上述特徵參數為約束，根據相匹配的參數模板對所述目標建模玉米葉片建模，即根據目標葉長、目標葉寬和建模後的目標葉脈曲線，將步驟S2模板變形生成目標玉米葉片的模型。具體地，由於葉脈曲線本身包括葉長信息，因此約束主要包括葉脈曲線約束和葉寬約束，以目標葉片葉寬和選取的模板葉片葉寬比例為參照，將模板葉片進行縮放變換，使其與目標葉片具備相等葉寬。接下來進行葉脈曲線約束建模，如附圖5所示，首先根據模板葉片參數曲面的控制點組將模板葉脈曲線和目標葉脈曲線離散化為若干一一對應的離散點序列，分別稱為模板參照點序列和目標參照點序列，並以此作為建模參照，這樣就建立了模板參數曲面的所有控制點與模板參照點序列和目標參照點序列的對應關係；然後，分別計算模板參照點序列中各點與目標參照點序列中對應點的仿射變換關係，並將模板的控制點組進行相應的仿射變換；最後，按仿射變換後的控制點組重新計算參數曲面，生成目標玉米葉片的模型。 以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，包括以下步驟S1通過掃描真實玉米葉片建立玉米葉片參數化模板庫，所述參數包括葉長、葉寬、葉脈曲線；S2根據目標建模玉米葉片的特徵參數從S1所述的模板庫中搜索與所述特徵參數匹配的參數模板，所述特徵參數包括目標葉長、目標葉寬、目標葉脈曲線；S3以所述特徵參數為約束，根據相匹配的參數模板對所述目標建模玉米葉片建模。
2. 如權利要求1所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述步驟SI包括S101 :掃描玉米葉片，建立玉米葉片點雲模型；S102:然後根據點雲模型，使用參數曲面插值方法建立葉片的參數曲面模型，計算所述 曲面的控制點組；S103 :將所述參數曲面模型作為參數化模板存入資料庫形成玉米葉片參數化模板庫。
3. 如權利要求2所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述S102中參數化曲面插值為NURBS曲面插值，按如下公式進行formula see original document page 2其中，P為計算的插值點，Vi,j為控制頂點，Wi,j為權因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分別為沿u 向的k次和沿w向的h次B樣條基函數。
4. 如權利要求1所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述步驟S2包括5201 :提取目標建模玉米葉片形態特徵參數，對特徵參數中的目標葉脈曲線建模；5202 :根據所述建模後的目標葉脈曲線在所述玉米葉片參數模板庫中搜索模板葉脈曲 線與所述目標葉脈曲線相匹配的模板。
5. 如權利要求4所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述步驟S201中建模葉脈曲線採用Bezier曲線建模，公式如下其中，P為計算的插值點，Bu為Bernstein基函數，t為插值參變量，、為控制點組。
6. 如權利要求4所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述步驟S202包括52021 :分別將所述目標葉脈曲線和模板葉脈曲線規範化和離散化，所述規範化是將模 板葉脈曲線進行仿射變換使其與目標葉脈曲線具有相同的位置，離散化以模板葉脈曲線和 目標葉脈曲線為計算依據，並確定步長，離散化後形成模板點序列和目標點序列；52022 :對於模板點序列中任意一點M，計算目標點序列中距離M最近的點N，計算M到 N的距離並作為M到目標曲線的最小距離Dm ;52023 :依次循環所有模板點序列中的點，計算目標點對應的最小距離並取平均值D， 將D作為模板曲線與目標曲線的偏移量，計算模板庫中所有模板的模板葉脈曲線與目標葉脈曲線的偏移量，並取偏移量最小的模板為匹配模板。
7.如權利要求2所述的基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，其特徵在於，所 述步驟S3包括，5301 :將玉米葉片參數模板進行縮放變換，使其與目標建模玉米葉片具備相等葉寬；，5302 :根據變換後的模板參數曲面的控制點組將模板葉脈曲線和目標葉脈曲線離散化 為一一對應的離散點序列，離散化後形成模板參照點序列和目標參照點序列；，5303 :分別計算模板參照點序列中各點與目標參照點序列中對應點的仿射變換關係， 並將模板的控制點組進行相應的仿射變換；S304:按仿射變換後的控制點組重新計算目標建模玉米葉片的參數曲面，生成目標玉 米葉片的模型。
全文摘要
本發明公開了一種基於參數模板的玉米葉片虛擬仿真建模方法，包括以下步驟通過掃描真實玉米葉片建立玉米葉片參數化模板庫，所述參數包括葉長、葉寬、葉脈曲線；根據目標建模玉米葉片的特徵參數從上述的模板庫中搜索與所述特徵參數匹配的參數模板，所述特徵參數包括目標葉長、目標葉寬、目標葉脈曲線；以所述特徵參數為約束，根據相匹配的參數模板對所述目標建模玉米葉片建模。本發明的方法有效解決玉米葉片上不易於參數化表示的結構建模問題，建立的模型具有較強真實感，可滿足玉米葉片數位化設計的需要。
文檔編號G06T17/00GK101739718SQ200910243158
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者溫維亮, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇, 陸聲鏈 申請人:北京農業信息技術研究中心